Lenindzher Основы биохимии т.2 (1128696), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Только по две молекулы ЛТР (рис. 17-7) дают также и электронные пары, отшепляемые другими флавинзависимыми дегидрогеназами, например ацил-СоЛ-дегидрогеиазой. участвующей в цикле окисления жирных кислот (гл. 1()). Окислительное фосфорилирование не ограничивается реакциями деги- Таблица 17-3. Число молекул АТР, образующихся нп каждом из окислитсльиых этапов никла лимонной кислоты Число абрв- зуюшишя молекул АТР Этвп Изоцитрат -+ «-Кстоглута- рат» СО, «-Кстогпусарат -э Сукии- иат -~- СОз Сукпинат Фуыврпт Маппт — Охсплоапстпт 411 2 3 12 Всего: " Паспапьяу в рсзуяьзвтс прсврвшсиия суяпииип-СаА в суяпиивт абрязустся ОТР, в из исса АТР (рвзп.
Уб.5,пх этапы пв пути, вспушсм аз и-пстагпузярвтв в сувпивпзу, пвюз в абшса сяа;спасти четыре мапссуяы АТР. дрирования в олпом только цикле лимонной кислоты; оно сопутствует переносу электронов, отгцепляемых любыми дегидрогеназами, участвующими в катаболизме углеводов, жирных кислот и аминокислот. В результате образования трех молекул АТР запасается довольно большая часть всей свободной энергии, выделяю- шейся при переносе электронов.
Вспомним, что перенос одной пары электронов от ХАОН к кислороду дает 52,6 ккал. Поскольку на синтез одной молекулы АТР из АОР и фосфата расходуется в стандартных термодинамических условиях 7,З ккал, нетрудно видеть, что зеоретически в трех молекулах АТР может быть запасена значительная часть своболной энергии, высвобождающейся при переносе одной пары электронов от ХА ОН на кислород. Теперь мы начинаем понимать, почему дыхательная пень состоит из такого большого числа переносчиков электронов.
Благодаря этому обстоятельству довольно большое снижение свободной энергии, которым сопровождается перенос одной пары электронов от ХАОН к кислороду, разбивается на ряд относительно небольших «порций», соответствуюших отдельным этапам переноса. На трех таких этапах количество выделяющейся свободной энергии приблизительно совпадает со свободной энергией образования «энергетической валютьоз клетки, т.е. АТР (рис. 17-4). Дыхательная цепь представляет собой, таким образом, своего рода каскад, прн помощи которого клетка получает свободную энергию, извлекаемую из клеточного топлива, в «расфасованном» и, следовательно, удобном для использования виде. 17.14. Фермент, катализирующий сннуез АТР, был выделен и реконструирован Познакомимся теперь с АТР-синтеуируюгцей ферментной системой. встроенной во внутреннюю мембрану митохоилрий. Зтот фермент ный комплекс, получивший название АТР-сшипешауы или Р,Г1-АТР«зы, состоит из двух главных 526 ЧАСТЬ 1Е БИОЭНЕРГЕТИКА И МЕТАБОЛИЗМ Участки, в котсрьн произонех рюряв мембракы ре остается архипах ембреиа Внутренняя мембрана Обрабзгка трвпсииом илх мочевиней Ультразвук оо о,д-ь(,р р;Атр к Субинтсхондрнальиые Субмитсконлйиалывсе колену на пуэырымь внутренняя пузырьки, лииениьм РГАТРвэы мембрана инввртирована У,-головскгсодерпат в ргнтвсре переносчики зхектроно, но не способны фогфгрйлиГянюь АЮР Реконструированные пуэмрыги с р, -головками; сспряпение переноса электронов с скишмтевьным фосфорихирсвввнем восстановлено компонентов: Г, и Г, (Г от англ.
г(асюггг). Компонент Г, напоминает по форме кругчую дверную ручку, обращенную в сторону матрикса митохондрии, или шляпку гриба (вследствие чего эти образования называют также грибовидными выростами; рис. 17-2 и 17-15). «Шляпка», чаше называемая головкой, с помощью ножки прикреплена к компоненту Г„, который встроен во внутреннюю мембрану и пронизывает ее насквозь (индекс по»-это не нуль, а буква по», указывающая на то. ч.ю эта часть молекулы АТР-синтетазы связывает токсичный антибиотик олзгго.згийин-мощный ингибитор это~о фермента, а следовательно, также и ингибитор окислительного фосфорилнрования).
Первым выделили Г, в очищенном виде из внутренней митохондриальной мембраны Эфраим Рэккер с сотрудниками. В изолированном виде компонент Г, не обладает способностью синтезировать АТР из А(УР и фосфата, но может расщеплять АТР на АВР и фосфат, нз-за чего его называют также Г,-АТРазой. Если осторожно экстрагировать Г, из инвертированных мембранных пузырьков. полученных путем разрушения внутренней митохондрии льной мембраны (рис. 17-!5), то дыхательные цепи в этих пузырьках оказываются ненарушенными; они способны осуществлять перенос электронов.
Однако пузырьки, лишенные Г, (отсутствие Г,-головок мембране Р 'Ф Рис Гтд5. Разрушение внутренней мембраны митохондрий ультразвуком, получение мемб- раннык пузырьков, лишенных способности к оаислительиому фосфорилнрованию, и рекон- струирование структур, способных осушеств- лять этст процесс. Под действием улыразвука криспз внутренней митохоидриальной мембра- ны разрушаются. Затем края мембрвннмх фрагментов смыкаются и образуются замкну- тые мембранные пузырьки, в копгрых головки грибовидньш выростов, или Р,-головки, обра- шены не внутрь, а нару:ку. Если обработать зти инвертированные пузырьки мочевиной илн трипсином, то Р,-головки от иих отделятся. Обрвбщаниме таким способом пузырьки, все ешс солерпашие Рнкомпаненты, сокраняют способность к переносу электронов, ио упе не могут осушесгвлять фосфорилирование.
Если теперь к таким потернвшим свои головки пузырькам лобавить молекулы Ри то зти молекулы вновь соединятся с рнединица- ми, сохранившимися в мембране пузырьков. В таких реконструированных пузырьках снова будут проискодить оба процесса - и перенос электронов, и окислитсльное фосфорилирова- ннс подтвержлается электронной микроскопией), уже не способны синтезировать АТР. Если же к таким пузырькам в соответствующих условиях лобавить изолированный Г„ то нормальная структура внутренней митохоидриальиой мембраны (непременным элементом которой являю~ей Г,-головки) восстановится, а вместе с пей восстановится и энергетическое сопряжение между переносом электронов и синтезом АТР (рис.
17-15). Такого рода эксперименты с реконструкцией мембранной структуры, впервые ГЛ. )7. ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОНОВ И грОСйгОРИЛИРОВАНИЕ ФВ 4~ йб Га 30 нм Рис. Еь)6. Струкгура Г,Г,-АТРазы )АТР-син- тетизм). Л Вгжрвые Г,Г,-АТРаза была обнару- ".кена в ниле грибовиднык вырос гон на внут- ренней поверкности митокондриальной мемб- раны )ик можно видеть здесь на зг~ектрон- ной микрофотографии).
Б. Модель Г„Г,-АТРа- зы, поиззываюпжк возможное расположение сс субъелинил. В. Кристаллы Г,-компонента комплекс» из митохондрий лечена крысы. Г. Электроники микрофона рафик„на которой видны две молекулы Г„Г,-АТРазы, выделенной из митокондрнй печени крысы. проведенные Рзккером, положили начало широкому и плодотворному изучению структуры и функции мембран. Г1озднее компонент Г, был выделен в чистом кристаллическом ниле (рис. 17-16).
Его молекулярная масса равна приблизительно 380000. Молекула Г, состоит из девяти субъединиц пяти разных типов, сгруппированных вместе и содержащих несколько связывающих участков для АТР и АОР. Удалось также получить в высокоочищенном виде и Г„Г,-АТРазу. Электронно-микроскопическое изучение полной молекулы этого фермента при высоком разрешении показало, что она состоит из Г, -головки, ножки и основания, которое обычно заполняет всю толщу внутренней митохондрнальной мембраны (рис.
17-)б). Г,Гг-АТРазу назвали АТРазой, потому что в изолированном виде она катализирует расщепление АТР на АОР и Р, Однако в интактных митохондриях главная ее биологическая функция заключается ЧАСТЬ Н БИОЭНЕР!'ЕТИКХ Е! МЕТЛБОЛИЗМ не в расщеплении, а в синтезе АТР из ЛОР и Р;; поэтому правильнее было бы называть ее А ТР-синя(етазой. 1?Л5.
Каким образом окнслн тель на-восстановптельная энергия переноса электронов передается АТР-снвтетаэе? В предылуп(их разделах этой главы мы рассмозрели процесс переноса электронов и познакомились со структурой АТР- синтетазы. Теперь пришло время задать главный вопрос: каким же образом цепь переноса электронов взаимодействует с ЛТР-син(етазой и как при этом происходит окислительное фосфорилирование АОР с образованием АТР? Это олин из самых увлекательнь(х и вместе с тем самых (рудных вопросив в биохимии и цитологии.
Хотя нам сегодня известно уже немало об утилизации энергии ЛТР в биосинтетических реакциях. тем не менее точные молекулярные механизмы генерирования АТР в процессе окислитель- ного фосфорилирования остаются неясными. Олна из причин этого состоит в том, что ферменты переноса элекгронов и окислительного фосфорилнрования очень сложны и к тому же встроены во внутреннюю мембрану митохондрий, чем сильно затрудняется изучение их взаимодействия. Посгулировано три возможных механизма передачи энергии о! процесса переноса электронов процессу синтеза АТР.
Гииатези химического сопряжения предполагает, что перенос электронов оэпряжен с синтезом ЛТР через определенную последовательное(ь реакций; в ходе этих реакций некий высокоэнергетический ковалентный промежуточный продулт, образовавшийся в резулщате переноса электронов, расщепляется и отлает садержшцуюся в нем энерги(а на образование ЛТР. Это предположение перекликается с уже известным нам примером участия 3-фасфоглицероилфосфата в качестве общего промежуточного продукта при синтезе АТР в процессе гликол(гэа (раз(!.
!5.7,б! Гипопюзв кон(7(орх(ииипплого га»ряжения предпола(ает, что перенос элекгро- нов по дыхательной цепи вызывает конформационные изменения в белковых компонентах внутренней митохондриальнай мембраны и тем самым переводит их в высокоэнергетическую форму. Канформационные изменения перелаются молекуле Р,Р(-ЛТРазы и активируют ее. Релаксация актнвированной Рнр(-АТРазы. т.е. ее возвращение к обычной конформации, высвобождает запасенную в ней энергию, которая используется для синтеза АТР и для отделения новасинтезированного АТР от молекулы фермента.
Хемивгмотичегкая гипотеза, сформу.пцюванная ан(лийским биохимиком Питером Митчеллом, исходит из совершенно нного. нового принципа. Пос(улируегся, что перенос элек! ранов сопровождается выкачиваннем ионов Н ' из матрикса через внутреннюю митохондриальную мембрану в наружную волную среду. Вследствие этого межлу двумя с!аренами внутренней митохапдриальной мембраны возникает градиент концентрации ионов Н ' (транс- мембранный градиенту Синтез АТР, требующий затраты энергии, осуществляется именно за счет осмотической энер! ии, присущей этому градиенту.
Можно дума.| ь. что именно хемиосмотнческая теория наиболее точно отражает организующий принцип окислительного фосфорилирования. Рассмотрим некоторыс хараюерные особенности этого пропесса, свилетельствующие в пользу хемиосмотической гила(езы. и. Никакие квысокоэнергетические» промежуточные пра((Екты, гвязываю(иив перепас электронов с синтезом АТР, не обнаруэкены Мно(олетние ин генсивные исследования, направленные на поиск таких гипотетических промежуточных пролуктов, не дали результатов: обнаружить их не удалось.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
